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《棒線材連軋過程軋件溫度場的有限元解析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第5卷第2期塑性工程學報Vol.5No.21998年6月JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGJun.1998棒線材連軋過程軋件溫度場的有限元解析李長生劉相華(東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室110006)王國棟姜正義錢平熊尚武摘要本文采用有限元方法對棒線材連軋過程軋件溫度場進行了解析,解出了軋件橫斷面溫度場并繪制了連軋過程中軋件溫度變化曲線,可以看出變形區(qū)熱傳導作用對軋件表面溫度有較大的影響,計算結(jié)果表明,在精軋機組之前設定值與軋件表面溫度的計算值吻合,在進入精軋機組之后設定值更接近于軋件平均溫度的計算值。關(guān)鍵詞溫度場有限元棒線材1前言隨著
2、我國汽車工業(yè)的發(fā)展,對汽車部件國產(chǎn)化的要求越來越迫切,為了滿足用戶對尺寸精度和組織性能的需求,進而實現(xiàn)軋制過程溫度的控制以及對軋件溫度場的研究越來越重要。為了生產(chǎn)高品質(zhì)汽車齒輪用鋼,我國某廠從意大利引進了24架合金鋼棒材全連軋生產(chǎn)線,就帶有機組間加熱、機組間穿水冷卻、精軋后水冷、帶保溫罩的冷床等控溫手段(見圖1),為對有不同性能要求的多種合金鋼實行控軋控冷提供了有利的硬件要求。但是,要制定出合理的軋制規(guī)程及控軋控冷工藝制度,還要求對軋件橫斷面的溫度場及整個溫降過程進行深入研[1,2]究。目前,對棒材連軋過程軋件溫度場的研究見于文獻,但是能夠同時模擬溫度變化規(guī)律和橫斷面溫度場的
3、研究還未見報道。圖1連軋生產(chǎn)線布置圖1-加熱爐;2-水除鱗;3-保溫罩;4-保溫輥道;5-感應加熱;6,7,8-穿水冷卻裝置;9-冷床Fig.1Thearrangementofthebarcontinuousrollingmill.本文采用有限元方法對棒線材連軋過程溫度場進行了解析,解出了軋件橫斷面溫度場并繪制了連軋過程中軋件溫度變化曲線,為實現(xiàn)溫度控制和控軋控冷奠定了基礎(chǔ)。國家95重點科技攻關(guān)項目(編號95-524-02-04)。80塑性工程學報第5卷2基本方程2.1熱傳導方程[3]由于塑性變形功轉(zhuǎn)換成熱導致軋件升溫,因此需要利用含內(nèi)熱源的熱傳導方程TTT
4、Tkx+ky+kz+q=c(1)xxyyzzt式中q——內(nèi)熱源強度——密度c——比熱ki——i方向材料導熱系數(shù)假設kx=ky=kz=k,且k為常數(shù),則:222TTTq1T2+2+2+=(2)xyzkt——導溫系數(shù),=k/c2.2初始條件和邊界條件2.2.1初始條件Tt=0=T0(x,y),考慮到軋件在加熱爐內(nèi)經(jīng)過均勻加熱階段,在本文計算中取軋件出加熱爐的時刻為初始溫度(t=0),取初始溫度為均勻溫度場。2.2.2邊界條件1)對稱面。假設幾何對稱面上溫度分布也對稱,故給出熱通量Q,但Q=0;442)自由表面?？紤]輻射放熱符合Stef
5、an-Boltzan定律:Q=A(T-T∞)。2.2.3內(nèi)熱源處理考慮軋件在變形過程中變形熱及軋件與軋輥接觸面的摩擦生熱,將兩項作為內(nèi)熱源處理,由于并非全部轉(zhuǎn)換成熱,因此應同時考慮變形熱和摩擦熱的熱效率,分別設為0.7和0.8。q=we+wf,we、wf分別為塑性變形功率和摩擦功率;we=1dV,wf=2vdS2.3溫度場解析利用Euler-Lagrange方程,將微分方程(2)及其初始條件和邊界條件等效表達為以下泛函求極值的問題2221TTTT12I=k++-2q-cTdV+h(T-T∞)dS2Vxyzt2S3(3)滿足初始條
6、件和邊界條件并使上式一階變分為零的溫度函數(shù)必為本問題的正確解,對于[4]非定常問題,利用如下求解溫度場公式:11[KT]+[K3]{T}t=[K3]{T}t-△t+{p}(4)△t△tE(e)(e)式中[KT]——溫度剛度矩陣,[KT]=∑[K1ij]+[K2ij]e=1E(e)[K3]——變溫矩陣,[K3]=∑[K3ij]e=1第2期李長生等:棒線材連軋過程軋件溫度場的有限元解析81E(e){p}=∑{[pi}e=1(e)pi=V(e)qNidV+S3(e)hT∞NidS(e)NiNjNiNjNiNjK1ij=V(e)k++dVxxyyzz(
7、e)K2ij=S3(e)hNiNjdS(e)K3ij=V(e)cNiNjdVNi,Nj——i,j方向的形函數(shù)e——單元號E——單元總數(shù)3解析方法與解析條件3.1單元劃分[5]解析原理是熱傳導方程在給定邊界條件、初始條件下,利用Euler-Lagrange方程等效地表達為求泛函的最小值問題。為了研究問題方便起見,同時不失真實性,對矩形、圓或橢圓由于對稱性,只取1/4部分進行研究。1)矩形或方形件如圖2a所示,采用四邊形單元劃分網(wǎng)格,單元數(shù)100個。2)圓形件或橢圓形如圖2b、c所示,采用極坐標方法劃
